a n Sistemas de Estados Finitos AF Determinísticos (H&U, 1979) e (H;M;U, 2001)

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1 a n Sistemas de Estados Finitos AF Determinísticos (H&U, 1979) e (H;M;U, 2001) 1

2 Sistemas de Estados Finitos Uma máquina de estados finitos é um modelo matemático de um sistema com entradas e saídas discretas. O sistema pode estar em qualquer um de um número finito de estados. O estado do sistema sumariza a informação relativa às entradas passadas que é necessária para determinar o comportamento do sistema nas próximas entradas. 2

3 Memória Limitada AF são exemplos de modelos de computadores com memória limitada. Já vimos um exemplo na primeira aula de um AF modelando um interruptor On/Off O interruptor se lembra se ele está no estado on ou off e permite o usuário apertar um botão cujo efeito é diferente, dependendo do seu estado. Mas, o que um computador com memória limitada pode fazer???? Muitas coisas úteis! 3

4 Exemplos Controlador de porta automática que abre no meio Tem um sensor na frente e outro atrás da porta (para não bater em quem está atrás). O controlador está em 1 dos 2 estados: aberto, fechado e as transições seriam: Frente (que faz a porta abrir e segurar aberta) Atrás (que deixa a porta fechada ou mantém aberta) Ambas (pessoas estão na frente atrás) Nenhuma (não há pessoas nem na frente nem atrás) 4

5 Exemplos Mecanismo de controle de um elevador O mecanismo não se lembra das requisições de serviços anteriores, cada estado sumariza somente as informações de andar atual e direção (para cima ou para baixo). As entradas para o sistema são as chamadas a serem atendidas. 5

6 Exemplos Na computação, um AF é um modelo útil para projetar vários tipos de sistemas: Busca de cadeias em editores de textos. No Word, por exemplo, podemos expressar as cadeias com os caracteres curinga * e outros especiais. 6

7 Exemplos Analisadores léxicos (AL) de compiladores. O AL é a interface entre o programa fonte e o resto do compilador. Ele é responsável por: empacotar os caracteres do programa e lhes dar um rótulo que será usado pelo analisador sintático montar a árvore sintática. Os rótulos são: identificadores, os nomes dos símbolos simples (<, =, [, ), etc.), dos compostos (:=, <>, <=, etc.), números inteiros, números reais, cadeias de caracteres, o nome das palavras-chaves. Eliminar caracteres brancos e comentários e, se for pedido, reeditar o texto fonte acrescentando número de linhas, indentação, etc. Reconhecer alguns erros léxicos como má-formação de inteiros, de reais, de cadeias de caracteres, comentário que não fecha, caracteres não reconhecidos pela linguagem. 7

8 Problemas de IA Descrição do Problema: um homem (H) com uma couve (C), um lobo (L) e uma ovelha (O) estão na margem esquerda de um rio. Existe um barco com 2 lugares para carregar o homem com um dos outros três. Se o H deixa a O com a C ela a come ou o L com a O ele a come. É possível os quatro atravessarem o rio sem a ovelha ou a couve serem comidas? O problema pode ser modelado analisando os ocupantes da margem esquerda e direita a cada travessia. Cada um é um estado menos os fatais (OC HL, por exemplo). 8

9 Entradas: ações (transições) que o H toma» Atravessar sozinho (H)» Com o lobo (L)» Com a couve ( C )» Com a ovelha (O) Estado Inicial: HLCO - Estado Final (duplamente circulado): - HLCO Existem 2 soluções curtas e inúmeras outras envolvendo caminhos desnecessários. O H HLCO- -HLCO O O O LC-HO HO-LC H L HLC-O C-HLO L-HCO O O HCO-L H C H L C O O C O-HLC HLO-C L 9 C L

10 O sistema é atípico pois: Nele existe só um estado final MAS podem existir vários Para cada transição existe uma reversa, MAS isto não é o caso geral Depois do estado final não existe computação, MAS pode existir 10

11 Definição formal de um AF Determinístico Um AF Determinístico (AFD) é denotado formalmente por uma quíntupla (Q,,, qo, F) onde: Q é o conjunto de estados é um alfabeto finito qo Q é o símbolo inicial F Q é o conjunto de símbolos finais (delta) é a função de transição de estados mapeando Q X Q. (q,a) é um estado para cada estado q e entrada a 11

12 Esquema da Máquina e Representação usando grafos Esquema: Controle Finito Fita com a seqüência de símbolos de p estado anterior a símbolo lido q novo estado qo estado inicial qf estado final 12

13 Aceitando cadeias função de transição estendida Estendemos a função de transição para aceitar cadeias: : Q X * Q (q,w) é um estado p que o AF vai estar depois de ler a cadeia w, começando do estado q. Isto é, existe um caminho no diagrama de transições de q para p denominado w Definimos: 1) (q, ) = q (sem ler um símbolo de entrada o AF não pode mudar de estado) 2) (q,wa) = ( (q,w),a) para a como símbolo de entrada e w como cadeia de entrada (Diz como achar o estado depois de ler uma cadeia de entrada wa não vazia. Isto é, encontre o estado p = (q,w) depois de ler w. Então calcule (p,a)) Usaremos no lugar de pois (q,a) = ( (q, ),a) = (q,a) 13

14 Linguagem aceita por um AF M Uma cadeia x é dita ser aceita pelo AFD M = (Q,,, qo, F) se (qo,x) = p para algum p F. Ou L(M) = {x (qo,x) F} Def 1: Uma linguagem aceita por um AFD é uma linguagem regular (ou do tipo 3) Def 2: Dois AF M1 e M2 são equivalentes se L(M1) = L(M2) 14

15 Exercício Fazer um AFD M que aceita L(M) = {w w possui um nro par de 0 s e de 1 s } Exemplos de cadeias da linguagem: Lambda

16 Exemplo 1 Fazer um AFD M que aceita L(M) = {w w possui um nro par de 0 s e de 1 s } Diagrama de Transição de Estados Cadeia aceita: configuração final VERDE 16

17 Cadeia não aceita: configuração final ROSA 17

18 Reconhecimento de (qo,1) = q1 e (q1,1) = qo Assim: (qo,11) = ( (qo,1),1) = (q1,1) = qo... (qo,110101) = qo Portanto está na L(M) M = ({qo,q1,q2,q3}, {0,1},, qo, {qo}) entradas : estados 0 1 Tabela de Transição de Estados qo q2 q1 q1 q3 q0 q2 q0 q3 q3 q1 q2 Função de Transição de Estados (qo,0) = q2 (qo,1) = q1 (q1,0) = q3 (q1,1) = q0 (q2,0) = q0 (q2,1) = q3 (q3,0) = q1 (q3,1) = q2 18

19 Tendo somente uma memória finita, só podemos lembrar as informações importantes e associá-las aos estados Usamos os estados para armazenar a paridade dos números e não os números o que exigiria um número infinito de estados (memória infinita). Como projetar um AF? Linha dos 1 s Linha dos 0 s 19

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23 Quando o estado final é o inicial a cadeia vazia é aceita Inicio de uma simulação, entrada em negrito 23

24 Exemplo 2 Fazer um AFD M que aceita L(M) = {w {0,1}* w possua pelo menos dois 0 s consecutivos} Garantindo a restrição... 24

25 Completando o AFD M e reconhecendo uma cadeia de L(M) M = ({q0,q1,q2}, {0,1},, q0,{q2}) : Fim de uma simulação, entrada em cinza 25

26 Exemplo 3 Fazer um AFD M que aceita L(M) = {w {0,1}* w possua um número impar de 1 s} Garantindo a restrição... 26

27 Completando o AFD M e reconhecendo uma cadeia de L(M) M = ({q0,q1}, {0,1},, q0,{q1}) : Aceitação no JFLAP = verde, com indicação do estado que parou ou ler a cadeia de entrada 27